RISC-V指令集CKB-VM的介绍及其需求

在本文中，系列中的第1部分，我们介绍了基于RISC-V指令集的VM，用于执行智能合同并用Rust编写的RISC-V指令集。

我们考虑了CKB-VM在为我们的第一层区块链Nervos CKB选择虚拟机(VM)时需要的特性。

如果虚拟机在区块链上运行，必须满足两个条件:

1. 确定性：对于固定程序和输入，VM必须始终返回相同的输出结果。结果不得依赖于外部条件，例如时间或运行环境。
2. 安全:保证虚拟机不影响所在主机的正常运行。

图片由神经。

上面我们列出了强制性条件，尽管我们已经考虑了一个最能为CKB的目标提供的VM的设计。在我们的研究之后，我们提出以下功能：

灵活性

我们的目标是设计一个足够的VM灵活性以运行多年或数十年，允许CKB与加密领域一起发展。目前的加密原语，如SECP256K1可能不再使用，并且有价值的新基元和技术（例如Schnorr或Postumum Sigeatures）将继续出现。应提供给在不再使用的VM和原语上运行的程序提供新的创新，应该能够被忽视。

为了证明我们的要求，我们可以检查比特币。目前，比特币利用Sighash进行交易签名，达成共识利用SHA-256哈希算法。我们可以确定，在几年后，Sighash将是最好的，或者SHA-256将适合作为稳定的哈希算法，因为计算能力随着时间的推移而增加？目前，需要一个硬盘，以在我们检查的所有区块链协议中实施新的加密原语。

在设计CKB时，我们探讨了通过VM层设计减少这种硬叉要求的可能性。

我们要问的问题是，我们是否可以允许更新加密算法或向VM添加新的事务验证逻辑?在secp256k1仍然被使用的情况下，如果受到经济激励的驱动，签名验证的实现是否会变得更有效率?如果有人找到了更好的方法来实现CKB上使用的算法，或者只是需要一个新的密码原语，我们能让他/她自由地这样做吗?

我们希望CKB的VM层将提供最大的灵活性和广泛的实施支持，以便探索这些类型的问题。通过CKB-VM的设计，用户不需要等待实施硬叉，以利用新的加密创新。

运行时的可见性

在对现有区块链的VM进行研究之后，我们观察到了一个问题。我们将再次示出比特币作为示例：VM比特币层只提供一个堆栈（并且该VM不知道可以存储在堆栈或堆栈深度上的数据量。堆栈模式下实现的VM也表现出此问题。

虽然共识层可以提供堆栈深度定义或间接提供堆栈深度（基于代码长度或气体限制），但是在VM上运行的程序无法获得堆栈深度。由于VM上运行的程序的开发人员必须猜测程序运行状态，因此在VM上运行的程序无法使用VM的所有潜在功能。

基于这一思路，我们考虑了优先定义VM运行时所有资源的限制，包括gas限制和堆栈空间大小，并提供运行在VM上的程序查询资源使用情况的能力。这将允许运行在VM上的程序根据资源可用性利用不同的算法。通过这种设计，程序可以充分利用VM的潜力。

通过这种结构，我们在以下方案中显示了更大的VM灵活性：

a)存储数据的契约可以根据单元容量选择不同的策略。当cell容量足够时，程序可以直接存储数据以减少使用的CPU周期数，或者当cell容量受限时，程序可以压缩数据以适应更小的容量，只需利用更多的CPU周期。

b）可以根据细胞数据量和剩余存储器的大小来选择不同的处理机制。当存在少量的单元数据或大量剩余存储器时，可以将所有单元数据读取到存储器以进行处理。当存在大量的小区数据或剩余存储器时，可以读取一部分存储器，每个操作可以读取，操作类似于交换存储器。

c)对于一些常用的契约，例如散列算法，可以根据用户提供的CPU周期数选择不同的处理方法。例如，SHA3-256已经足够安全，可以满足大多数需求，但是一个合约可能会使用SHA3-512算法，通过使用更多的CPU周期来满足不同的安全需求。

运行时开销

Ethereum虚拟机（EVM）中的气体机制是辉煌的设计。它解决了块链条VM的上下文中的暂停问题，并允许在完全分散的虚拟机上完成完整的计算。然而，我们观察到，对于不同EVM操作码，难以设计适当的气体计算方法。

我们已经发现EVM几乎在每个版本更新中调整了气体计算机制。我们想知道：我们可以通过VM Design确保更有效的开销计算吗？

我们已经考虑了一个VM的设计，它可以提供所有这些功能，并发现没有一个现有的解决方案可以实现我们的CKB的愿景。

建议的解决方案:利用RISC-V

RISC- v是由美国加州大学伯克利分校的教授于2010年设计的开源RISC指令集架构(ISA)。RISC-V的目标是提供一个通用的CPU ISA，使下一代系统体系结构的开发能够持续几十年，而无需承受遗留体系结构问题的负担。

RISC-V标志。图片由RISC-V基金会。

RISC-V可以满足在所有场景中的高功耗数据中心（DC）处理器的小型微处理器的实施要求。与其他CPU指令集相比，RISC-V指令集具有以下优点：

开放

RISC-V的核心设计和实施都是根据BSD许可提供的。所有公司和代理商都可以使用RISC-V指令集，并在不受限制的情况下创建新的硬件/软件。

简单

作为RISC指令集，RISC-V的32位整数核心指令集只有41个指令。为64位整数添加支持，指令集只有大约50条指令。与此相比，X86指令集可能具有数千条指令，risc-v指令集易于实现并防止错误提供相同的功能。

模块化机制

通过简化的核心，RISC-V还提供了一种模块化机制，以提供更多扩展指令集。例如，CKB可能会选择实现RISC-V核中定义的V扩展，以支持向量计算或为256位整数计算添加扩展指令集，从而提供高性能加密算法的可能性。

广泛的支持

RISC-V指令集由GCC和LLVM等编译器支持。正在开发基于RISC-V的Rust和Go语言实现。CKB的VM实现将使用广泛实现的ELF格式，可以使用任何可以编译为RISC-V指令的语言开发CKB VM合同。

到期

RISC-V核心指令集已完成并冻结，所有RISC-V实现将来需要向后兼容。这会删除VM指令更新产生的CKB硬叉的可能性。此外，RISC-V指令集具有硬件实现，并已在现实世界应用方案中验证。RISC-V没有可能存在于其他较低支持的指令集中的潜在风险。

尽管其他指令集可能具有上面列出的一些品质，但根据我们的评估，RISC-V指令集是唯一提供所有这些品质的指令集。基于此，我们选择用RISC-V指令集实现CKB VM，并利用ELF格式实现智能合约，以确保广泛的语言支持。

此外，我们将为CKB VM添加动态链接，以确保单元共享。尽管官方CKB实现将提供流行的密码原语，我们鼓励社区提供更优化的密码算法实现，以减少运行时开销(CPU周期)。

开发者激励措施来改善CKB上的加密原语是有趣的，并且在CKB团队之间经常讨论。我们希望随着加密和社区的演变，CKB VM将发展和改进，而无需硬叉升级协议。

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